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Die Erfindung bezieht sich auf ein Traktionsbatteriemodul mit einer Batteriezellenanordnung, die aus einer Vielzahl von Batteriezellen besteht.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich insbesondere mit der Betriebssicherheit des Traktionsbatteriemoduls im Falle einer crashbedingten Deformation des Traktionsbatteriemoduls und/oder im Falle einer Überhitzung einer Batteriezelle. In beiden Fällen muss aus Sicherheitsgründen eine elektrische Trennung und Isolation der kritischen Batteriezellen auf zuverlässige Weise erfolgen.
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DE 10 2021 118 375 A1 offenbart ein statisches Leitungsnetz, mit dem mehrere Batteriezellen direkt verbunden sind. Im Crash-Fall werden einzelne Batteriezellen verschoben, so dass die Verbindungen zu den betreffenden Batteriezellen abreißen.
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Aus
DE 10 2014 222 383 A1 ist ein Traktionsbatteriemodul bekannt, das in dem Modulgehäuse elektrische Verbindungen aufweist, durch die die Batteriezellen miteinander verbunden sind. Bei einer Deformation des Modulgehäuses werden die elektrischen Verbindungen, mit denen die Batteriezellen verbunden sind, getrennt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein preiswertes Traktionsbatteriemodul mit einer hohen passiven elektrischen Sicherheit für mechanische und thermische Zwischenfälle zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Traktionsbatteriemodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Traktionsbatteriemodul weist eine Batteriezellenanordnung auf, die aus einer Vielzahl von in einer einzigen Zellenebene stehenden Batteriezellen besteht. Unter einer Batteriezelle ist vorliegend die elektrische Speicherzelle zu verstehen, die physikalisch die elektrische Energie durch Ladungstrennung speichert. Die Batteriezelle weist vorzugsweise eine elektrische Zellenspannung von weniger als 10,0 V auf.
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Das Traktionsbatteriemodul bzw. die Batteriezellenanordnung weist vorzugsweise insgesamt mehr als 100, insbesondere mehr als 300 Batteriezellen auf, die in dem Traktionsbatteriemodul physisch und elektrisch zusammengefasst sind. Das Traktionsbatteriemodul weist ein Modulgehäuse auf, das die Batteriezellenanordnung hermetisch gegenüber der Umgebung abschirmt und einen gewissen mechanischen Schutz für die Batteriezellen darstellt.
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Jede Batteriezelle weist an ihrer einen Stirnseite einen elektrischen Polkontakt auf, der einen ersten elektrischen Polanschluss der Batteriezelle bildet. Alle Stirnseiten-Polkontakte der Batteriezellen liegen in einer einzigen zu der Zellenebene parallelen Kontaktebene. Vorzugsweise liegen die Zellenebene und die Kontaktebene im in einem Kraftfahrzeug verbauten Zustand jeweils in einer Horizontalebene.
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Jeweils mehrere Stirnseiten-Polkontakte einer Batteriezellen-Gruppe von mehreren Batteriezellen sind durch ein Gruppen-Leitungsnetz elektrisch direkt miteinander verbunden, sind also elektrisch parallel miteinander verschaltet. Die Batteriezellenanordnung besteht aus mehreren bzw. vielen Batteriezellen-Gruppen, die vorzugsweise alle identisch zueinander konfiguriert sind, und beispielsweise aus jeweils 4 bis zu maximal 100 einzelnen Batteriezellen bestehen.
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Jedes Gruppen-Leitungsnetz ist jeweils durch einen steifen Gruppen-Rahmenkörper derart rahmenfest fixiert, dass beim Verschieben des betreffenden Gruppen-Rahmenkörpers in einer Rahmenebene, die parallel ist zu der Kontaktebene und der Zellenebene, die elektrischen Verbindungen zwischen dem mit dem Gruppen-Rahmenkörper verschobenen Gruppen-Leitungsnetz und den betreffenden Stirnseiten-Polkontakten der betreffenden Batteriezellen abreißen, so dass keine einzige der betreffenden Batteriezellen elektrisch mehr mit dem Gruppen-Leitungsnetz verbunden ist. Eine zuverlässige Trennung aller elektrischen Verbindungen zwischen dem Gruppen-Leitungsnetz und den betreffenden Batteriezellen kann bereits bei einer relativ kleinen Verschiebung des Gruppen-Rahmenkörpers vom beispielsweise wenigen Millimetern erfolgen.
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Es sind mehrere separate identische Gruppen-Rahmenkörper vorgesehen, die alle in der zu der Zellenebene parallelen Rahmenebene angeordnet sind, und die mit ihren Schmalseiten aneinander anliegen oder so wenig zueinander beabstandet sind, dass beim Verschieben eines Gruppen-Rahmenkörpers in der Rahmenebene ein unmittelbar benachbarter Gruppen-Rahmenkörper ebenfalls verschoben wird. Auf diese Weise werden im Crashfall auch mindestens die benachbarten Gruppen-Rahmenkörper soweit in der Rahmenebene verschoben, dass auch die elektrischen Verbindungen des Gruppen-Leitungsnetzes des betreffenden benachbarten Gruppen-Rahmenkörpers zu den betreffenden Batteriezellen der benachbarten Batteriezellen-Gruppe abgeschert werden, also irreversibel getrennt werden.
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Auf diese Weise ist eine rein passive elektrische Sicherheitsmimik für die Traktionsbatterie geschaffen, die in einem Crashfall, bei dem das Traktionsbatteriemodul bzw. das Modulgehäuse in relevantem Umfang verformt wird, die Batteriezellen einer oder mehrerer Batteriezellen-Gruppen in der Nähe der Deformation einzeln elektrisch isoliert. Da die Zellenspannung einer Batteriezelle typischerweise unter 10 V liegt, besteht bei der elektrischen Abtrennung der Polkontakte der einzelnen Batteriezellen von dem jeweiligen Gruppen-Leitungsnetz keine Gefahr von Funkenbildung, so dass durch die elektrische Trennung der Batteriezellen keine sekundäre Gefahrenquelle entsteht.
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Vorzugsweise wird der zweite elektrische Polanschluss der Batteriezellen jeweils von dem Zellengehäusen der betreffenden Batteriezellen gebildet.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schmalseiten der Gruppen-Rahmenkörper derart komplementär zueinander strukturiert sind, dass die einander gegenüberstehenden Schmalseiten zweier zueinander benachbarter Gruppen-Rahmenkörper einen vertikalen Formschluss bilden, so dass die zueinander benachbarten Gruppen-Rahmenkörper beim horizontalen Verschieben nicht übereinander gleiten können. Die vertikale Wirksamkeit des Formschlusses bezieht sich vorliegend auf ein Traktionsbatteriemodul, das in einer Horizontalebene angeordnet ist. Durch den vertikal wirkenden Formschluss der aneinanderstoßenden Schmalseiten der Gruppen-Rahmenkörper wird sichergestellt, dass bei einer Schubbewegung eines Gruppen-Rahmenkörpers dieser auch die benachbarten Gruppen-Rahmenkörper mit verschiebt.
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Grundsätzlich können die zueinander identischen Gruppen-Rahmenkörper verschiedene Grundriss-Formen haben, beispielsweise gleichseitig dreieckig oder wabenförmig geformt sein. Besonders bevorzugt ist die Grundfläche der Gruppen-Rahmenkörper jedoch rechteckig, ganz besonders bevorzugt quadratisch.
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Vorzugsweise wird jeder Gruppen-Rahmenkörper von einer steifen Gruppen-Rahmenplatte aus Vollmaterial gebildet, in die das Gruppen-Leitungsnetz vorzugsweise eingelassen ist, vorzugsweise eingegossen ist. Die Gruppen-Rahmenplatte kann jedoch auch entsprechende Schlitze aufweisen, in die die elektrischen Leitungen des Gruppen-Leitungsnetzes eingesetzt und darin verklebt oder vergossen sind. Der Gruppen-Rahmenkörper kann aus einem Metall bestehen, beispielsweise aus einer geeigneten Stahllegierung. Der Gruppen-Rahmenkörper bzw. die Gruppen-Rahmenplatte muss so steif sein, dass sie im Crashfall allenfalls keine bzw. so wenig Verformungsenergie aufnimmt, dass der Rahmenkörper bzw. die Rahmenplatte im Crashfall nicht nennenswert deformiert wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass in einem Crashfall die Gruppen-Leitungsnetze mehrerer Gruppen-Rahmenkörper von den betreffenden Batteriezellen getrennt werden.
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Vorzugsweise wird das Gruppen-Leitungsnetz von einer flexiblen Leitungsfolie gebildet, die Leiterbahnen aufweist, die auf einfache Weise mit den elektrischen Polkontakten der Batteriezellen elektrisch verbunden, beispielsweise verlötet werden können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in der Rahmenebene zwischen zwei Gruppen-Rahmenkörpern ein Thermoexpansionselement angeordnet ist, das erst bei der Überschreitung seiner Expansionstemperatur expandiert und dadurch die zwei zueinander benachbarten Gruppen-Rahmenkörper auseinanderschiebt, so dass alle elektrischen Verbindungen zwischen den Gruppen-Leitungsnetzen und den betreffenden Batteriezellen in der Nähe des thermischen Ereignisses unterbrochen werden. Vorzugsweise liegt die Expansionstemperatur des Thermoexpansionselementes bei über 90 °C. Besonders bevorzugt weist das Thermalexpansionselement eine Wasserfüllung auf, die bei über 100 °C schlagartig expandiert. Auf diese Weise wird zusätzlich eine einfache, zuverlässige und passive thermische Sicherung in dem Traktionsbatteriemodul realisiert, die preiswert umsetzbar ist.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Traktionsbatteriemodul mit mehreren Batteriezellen und mehreren Gruppen-Rahmenkörpern im Vertikalschnitt,
- 2 das Traktionsbatteriemodul der 1 im Vertikalschnitt mit einem nach einem Crash deformierten Modulgehäuse und den hierdurch verschobenen Gruppen-Rahmenkörpern,
- 3 einen Vertikalschnitt III-III des Traktionsbatteriemoduls der 1 mit einer vergrößerten Darstellung von zwei aneinander angrenzenden Gruppen-Rahmenkörpern einschließlich eines Thermoexpansionselementes,
- 4 das Traktionsbatteriemodul der 3 im Vertikalschnitt nach der Expansion des Thermoexpansionselementes,
- 5 eine perspektivische Darstellung einiger Batteriezellen-Gruppen mit jeweils vier Batteriezellen und der jeweils einer Batteriezellen-Gruppe zugeordneten Gruppen-Rahmenkörper, und
- 6 ein Horizontalschnitt VI-VI des Traktionsbatteriemoduls der 1 und 3.
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In den Figuren ist ein Kfz-Traktionsbatteriemodul 10 dargestellt, das typischerweise in einer Horizontalebene liegend im Fahrzeugboden eines Kraftfahrzeugs (Kfz) verbaut wird. Das Traktionsbatteriemodul 10 weist typischerweise eine Modulspannung von mehreren 100 V auf, typischerweise von 400 V oder 800 V. Das Traktionsbatteriemodul 10 weist hierzu mehrere 100 Niederspannungs-Batteriezellen 30 auf, die vorliegend eine typische Zellenspannung von 4,2 V haben. Die Batteriezellen 30 sind in einem steifen Metall-Modulgehäuse 12 fluiddicht eingehaust.
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Jede Batteriezelle 30 weist an ihrer oberen Stirnseite 32 jeweils einen elektrischen Polkontakt 34 auf, der einen ersten elektrischen Polanschluss der Batteriezelle 30 darstellt. Der andere elektrische Polanschluss der Batteriezellen 30 wird jeweils von ihrem becherartigen Zellengehäusen 36 gebildet. Die Batteriezellen 30 werden seitlich zueinander beabstandet gehalten durch entsprechende Abstandshalter 90. Zwischen einer seitlichen Vertikalwand des Modulgehäuses 12 und dem daran angrenzenden Batteriemodul 30 ist ein leicht verformbarer Rand-Abstandshalter 92 vorgesehen.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jeweils vier Batteriezellen 30 zu einer Batteriezellen-Gruppe 40 zusammengefasst. Oberhalb jeder Batteriezellen-Gruppe 40 ist jeweils ein Gruppen-Rahmenkörper 50 angeordnet, der aus einer steifen Gruppen-Rahmenplatte 51 aus Stahl gebildet ist, in die jeweils ein Gruppen-Leitungsnetz 42 eingelassen ist, das von einer Leitungsfolie 44 gebildet wird. Die Leitungsfolie 44 kann beispielsweise in entsprechende Schlitze an der Unterseite der Rahmenplatte 51 eingesetzt und in den Schlitzen mit einem Kunstharz vergossen sein. Wie in der 1 dargestellt ist, liegen alle Batteriezellen 30 in einer einzigen horizontalen Zellenebene xy30, liegen alle Gruppen-Rahmenkörper 50 in einer einzigen horizontalen Rahmenebene xy50 und liegen alle stirnseitigen Polkontakte 34 der Batteriezellen 30 in einer einzigen horizontalen Kontaktebene xy34.
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Jeweils ein unteres Ende des Gruppen-Leitungsnetzes 42 bzw. der Leitungsfolie 44 ist durch eine elektrische Verbindung 100 elektrisch verbunden mit dem zugeordneten Polkontakt 34. Die elektrische Verbindung 100 kann durch Verlötung oder durch Verschweißung realisiert sein.
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Wie in der 1 dargestellt, sind die aneinander anliegenden Schmalseiten 501,502 zweier zueinander benachbarter Gruppen-Rahmenkörper 50 komplementär zueinander strukturiert, so dass ein vertikal wirksamer Formschluss gebildet ist. Vorliegend ist eine Schmalseite 501 konvex keilförmig und ist die komplementäre Schmalseite 502 entsprechend konkav hohlkeilartig ausgestaltet.
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In der 2 ist das Traktionsbatteriemodul 10' nach einem Crashereignis dargestellt, bei dem eine seitliche Crashenergie 200 auf die vertikale Seitenwand eingewirkt hat, wobei sich das Modulgehäuse 12' entsprechend verformt hat. Hierbei hat sich auch der Rand-Abstandshalter 92` massiv verformt, wohingegen die Gruppen-Rahmenkörper 50 keine nennenswerten Eigenverformungen aufweisen, sondern in der Horizontalebene entsprechend um mindestens mehrere Millimeter verschoben wurden, wobei die elektrischen Verbindungen 100 alle abgeschert wurden. Auf diese Weise wurde jede einzelne Batteriezelle 30 mehrerer Batteriezellen-Gruppen 40 elektrisch mindestens einseitig vollständig isoliert. Da hierbei jeweils nur eine elektrische Spannung von maximal 4,2 V getrennt wird, können hierbei keine Lichtbögen auftreten.
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In den 3 und 6 ist dargestellt, dass zwischen zwei aneinander angrenzenden Schmalseiten der Gruppen-Rahmenkörper 50 bzw. der Gruppen-Rahmenplatten 51 in einem weitgehend geschlossenen Hohlraum 70 jeweils ein Thermoexpansionselement 60 verbaut ist. Der Hohlraum 70 wird jeweils von einem halboffenen Teilraum 72,74 an beiden Schmalseiten der aneinander angrenzenden Gruppen-Rahmenkörper 50 gebildet. Das Thermoexpansionselement 60 weist eine Wasserfüllung 62 mit einer Expansionstemperatur Te von ca. 100 °C auf. Die Wasserfüllung 62 enthält einen Frostschutz, um ein Einfrieren bei niedrigen Temperaturen von bis zu -30 °C auszuschließen.
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In der 4 ist die Situation nach der Expansion des Thermoexpansionselementes 60 dargestellt. Bei einem thermischen Ereignis in einer der angrenzenden Batteriezellen 30 wird die Wasserfüllung 62 gegebenenfalls auf über 100 °C erwärmt, so dass das Thermoexpansionselement 60 schlagartig expandiert, wodurch die beiden aneinander angrenzenden Gruppen-Rahmenkörper 50 in der Rahmenebene auseinandergeschoben werden, so dass die betreffenden elektrischen Verbindungen 100 abgeschert werden.
